上圖：蝴蝶是地球上生物多樣性最豐富的類群之一，它們以其絢麗多彩的翅膀、多樣的形態(tài)和復(fù)雜的行為而聞名。全球已知的蝴蝶種類超過(guò)18000種，分布在除南極洲以外的所有大陸。它們?cè)谏鷳B(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色，是重要的傳粉者，也是食物鏈中的一環(huán)。蝴蝶的多樣性不僅體現(xiàn)在物種數(shù)量上，還體現(xiàn)在它們的棲息地、食性和生活習(xí)性上，從熱帶雨林到高山草甸，從沙漠到濕地，都能看到蝴蝶的身影。它們的多樣性也反映了地球上生物進(jìn)化的奇妙歷程。上圖是蝴蝶的生物多樣性科普。攝影?Linda Wong | 綠會(huì)融媒·海洋與濕地

蝴蝶這些翩翩起舞的精靈，有著絢麗的翅膀、復(fù)雜的行為，吸引著無(wú)數(shù)科學(xué)家。在動(dòng)物行為進(jìn)化研究中，科學(xué)家們面臨著遺傳變異如何轉(zhuǎn)化為神經(jīng)回路改變、進(jìn)而影響行為的難題，尤其在求偶行為的神經(jīng)機(jī)制方面存在知識(shí)空白?！昂Ｑ笈c濕地”（OceanWetlands）小編注意到，2025年3月11日，一項(xiàng)發(fā)表在《公共科學(xué)圖書館·生物學(xué)》上的最新研究，揭示了蝴蝶求偶行為背后的遺傳、發(fā)育和神經(jīng)機(jī)制，為我們理解動(dòng)物行為的進(jìn)化提供了新的視角。

這項(xiàng)研究聚焦于新熱帶地區(qū)的袖蝶屬（Heliconius）蝴蝶，尤其是其中的環(huán)紋袖蝶（Heliconius cydno）分支。袖蝶屬（學(xué)名：Heliconius，英文俗名：Longwing, Passion-flower butterfly）是蛺蝶科釉蛺蝶亞科中的一個(gè)屬，它們廣泛分布在美洲的熱帶及亞熱帶地區(qū)。這些蝴蝶的翅膀顏色不僅是它們躲避天敵的偽裝，也是它們選擇配偶的關(guān)鍵信號(hào)。雄性蝴蝶通常偏愛(ài)與自己翅膀顏色相同的雌性，這種偏好確保了物種的延續(xù)。不過(guò)，科學(xué)家們一直也很好奇——這種求偶偏好是如何在基因?qū)用姹徽{(diào)控的，又是如何通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的呢？

該研究團(tuán)隊(duì)首先利用全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWA），尋找與雄性求偶偏好相關(guān)的基因變異。他們發(fā)現(xiàn)，與求偶偏好關(guān)聯(lián)最強(qiáng)的變異，都集中在控制翅膀顏色的“K”基因座附近，這與之前的研究結(jié)果相符。換句話說(shuō)，控制翅膀顏色的基因，也直接影響著雄性的求偶偏好。

【研究方法與主要發(fā)現(xiàn)】

基因組關(guān)聯(lián)分析（GWA）
該研究團(tuán)隊(duì)在H. cydno斑蝶種群中進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)與雄性擇偶偏好最強(qiáng)相關(guān)的遺傳變異位于K基因座（K locus），該基因座已知控制翅膀顏色。這一發(fā)現(xiàn)支持了先前的遺傳圖譜研究，表明控制顏色的基因與擇偶行為基因之間存在緊密的遺傳連鎖關(guān)系。

基因表達(dá)分析

研究人員通過(guò)RNA測(cè)序（RNA-seq）分析了發(fā)育過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)的基因表達(dá)情況，結(jié)果顯示，在GWA分析發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵基因區(qū)域附近，有7個(gè)基因在蝴蝶的眼睛、視覺(jué)葉（optic lobes）和中樞大腦中存在差異表達(dá)。這些基因大多參與突觸連接的發(fā)育和維持，表明擇偶行為可能受到視覺(jué)神經(jīng)回路發(fā)育的影響。

光感受器電生理特性
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，黃色和白色翅膀的H. cydno雄性蝴蝶在視覺(jué)系統(tǒng)上存在顯著的生理學(xué)差異。單細(xì)胞電生理記錄顯示，某些紫外（UV）感受器受長(zhǎng)波光感受器的抑制效應(yīng)影響，而被抑制的紫外光感受器比例與雄性蝴蝶的翅膀顏色密切相關(guān)。這一差異可能影響初級(jí)視覺(jué)信息的處理，進(jìn)而影響求偶決策。

為了進(jìn)一步探究這些基因如何影響神經(jīng)系統(tǒng)，研究人員在蝴蝶發(fā)育的不同階段進(jìn)行了RNA測(cè)序，分析了眼睛、視葉和中樞大腦中的基因表達(dá)。他們發(fā)現(xiàn)，在“K”基因座附近，有七個(gè)基因在白色和黃色翅膀的雄性蝴蝶中表達(dá)差異顯著。這些基因大多與突觸連接的發(fā)育和維持有關(guān)，這表明求偶偏好的差異可能源于視覺(jué)系統(tǒng)中突觸連接的差異。

更令人驚訝的是，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)單細(xì)胞電生理記錄，在雄性蝴蝶的視覺(jué)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯著的生理差異。他們發(fā)現(xiàn)，一些對(duì)紫外線（UV）敏感的光感受器（PR）受到了長(zhǎng)波長(zhǎng)光感受器的抑制。而且，這種抑制的比例與雄性蝴蝶的翅膀顏色高度相關(guān)。黃色翅膀的雄性蝴蝶，其紫外線光感受器受到抑制的比例更高。

環(huán)紋袖蝶屬的翅膀顏色模式與視覺(jué)求偶行為。(A) 環(huán)紋袖蝶復(fù)合群及其姐妹類群黑脈袖蝶。(B) 雄性求偶偏好，即雄蝶對(duì)白色雌蝶求偶的比例，每個(gè)點(diǎn)代表一只雄蝶的偏好，紅點(diǎn)為平均值。(C) 袖蝶視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)翅膀顏色的感知與結(jié)構(gòu)，光線通過(guò)視網(wǎng)膜中數(shù)百個(gè)小眼進(jìn)入，經(jīng)過(guò)視葉多層傳遞至中樞大腦。(D) 眼睛由小眼組成，每個(gè)小眼包含九個(gè)光感受器（左），不同小眼類型由R1和R2細(xì)胞的視蛋白表達(dá)模式定義（右）。R1/R2軸突繞過(guò)板層（LA）直接投射到髓質(zhì)（ME），而R3-8僅投射到板層，并可與R1/R2軸突形成光感受器間突觸連接。(E) 白色和黃色環(huán)紋袖蝶翅膀的光譜反射率主要在紫外線區(qū)域存在差異。
這一發(fā)現(xiàn)表明，求偶偏好的差異可能源于視覺(jué)處理早期階段的差異。紫外線光感受器抑制的程度，可能直接影響著雄性蝴蝶對(duì)雌性翅膀顏色的感知，進(jìn)而影響它們的求偶決策。

研究人員推測(cè)，“K”基因座的基因變異，可能通過(guò)影響光感受器之間的抑制連接，從而改變雄性蝴蝶的視覺(jué)處理方式。這種改變可能使得黃色翅膀的雄性蝴蝶對(duì)黃色雌性更加敏感，而白色翅膀的雄性蝴蝶則對(duì)兩種顏色的雌性都表現(xiàn)出相似的興趣。

環(huán)紋袖蝶（Heliconius cydno）的腹面圖。本圖展示了環(huán)紋袖蝶的翅膀腹面，拍攝于中美洲圣路易斯動(dòng)物園的孟山都昆蟲(chóng)館。攝影：羅伯特·勞頓（2006年拍攝）

這項(xiàng)研究不僅揭示了蝴蝶求偶行為背后的遺傳和神經(jīng)機(jī)制，也為我們理解動(dòng)物行為的進(jìn)化提供了新的思路。它表明，外周神經(jīng)系統(tǒng)的變化，如光感受器之間的抑制連接，可能在行為進(jìn)化中發(fā)揮重要作用。結(jié)合基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)等多種方法，人類可以更深入地理解基因變異如何影響神經(jīng)系統(tǒng)，進(jìn)而影響動(dòng)物的行為。

當(dāng)然，這項(xiàng)研究也留下了一些問(wèn)題。例如，究竟是哪些基因調(diào)控了光感受器之間的抑制連接？這種抑制連接是如何影響下游視覺(jué)處理的？未來(lái)的研究將需要進(jìn)一步探索這些問(wèn)題，以更全面地理解蝴蝶求偶行為的奧秘。

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資訊源 | PLoS Biol
編譯 | 王芊佳
編輯 | Linda
排版 | 綠葉
參考資料略